土壓平衡盾構機刀盤刀具布置方法分析

崔　巍（中鐵工程裝備集團技術服務有限公司,鄭州　450000）

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土壓平衡盾構機刀盤刀具布置方法分析

崔巍
（中鐵工程裝備集團技術服務有限公司,鄭州450000）

摘 要：土壓平衡盾構機刀盤刀具在工程施工中被廣泛應用。在應用的過程中，會出現一定的磨損，不利于施工的順利開展。介于此，本文從刀具磨損、刀具的空間布置，以及主切削刀的曲線布置等方面出發，首次分析了盾構刀盤的特點，在此基礎上對其具體的布置方法進行探討和研究。

關鍵詞：土壓平衡；盾構刀盤；刀具布置

0　引言

當前，我國工程建設的速度不斷加快，盾構機在機械挖掘方面起著重要的作用，該機械主要被應用于隧道開挖、地下鐵軌建設中。其中，盾構機的主要部件由刀盤、刀具組成。這些部件在使用的過程中，容易發生磨損，影響了工程的進度。所以，本文主要對刀盤刀具的特性，以及布置辦法進行探討，從而減少刀盤的受力平衡，從而降低消耗的功率，最終減少磨損的程度。

1　盾構刀盤概述

盾構刀盤最早由英國人創建，到現在已經有幾百年的歷史。該機械在運營中，主要利用盾構作為含糊，從而進行地下、水底工程的開挖、掘進。使用該機具有多方面的優勢。主要包括這幾個方面：第一，在地下、水底工作時，不會對正常的交通產生影響。第二，在盾構施工中，不受氣候、溫度、地質、噪音等外界因素的影響。基于以上優點，盾構機的使用范圍不斷擴大，現在已經廣泛應用到隧道、地下水管、地鐵等工程建設當中，而且施工質量非常好。盾構機的主要部件為刀盤，處于整個機械的最前端，它以旋轉方式作業，對土體的截面進行切割，同時利用螺栓的輸送功能，將掘進中產生的土渣排出去。由于工程環境的復雜性，刀具在掘進的過程中，很可能由于受力過大，產生嚴重的磨損，因此必須保證刀盤的質量符合實際要求，以保證盾構機的正常使用。

2　盾構機刀盤刀具開口的特點

（1）滾刀破巖。當滾刀壓到巖石的下面后，巖石在受力的情況下，會不斷產生堅硬的密實核狀物。同時，隨著力度的加大，在核狀物的周圍就會出現很多裂紋。另外，當滾刀持續發揮作用時，裂縫與巖石不斷的接觸、交會。其中，側向裂縫與相鄰裂縫或者自由面在交會的過程中，就會使巖石發生破碎。當滾刀的受力不斷增加時，就會加大受力，一旦達到最大值，就會導致巖石的剝落。然后，滾刀繼續工作，循環往復。

（2）切刀切削巖土。首先，分析切削的機理。盾構機在持續掘進中，切刀就會順著掘進方向旋轉，釋放出切削力，對巖土進行開挖。在開挖的過程中，由于應力、結構變形等因素，產生大量的土渣。再加上巖石性質、切削參數、刀具特點等的影響，造成土體不同程度的破壞。其次，對切刀切削荷載進行計算。盾構機在施工中，基于切刀切削會產生兩種荷載，一種是土體荷載，另一種是軟巖受到破壞后，產生的荷載。由于這兩種荷載的物理學性質不同，所以選擇不同的預測模式。其中，最常見的計算模型是西松切刀切削模式，假設，為水平切削力，代表刀刃的寬度，為切口前角。計算的公式為：

3　盾構刀具的布置方法

（1）刀具數量的計算。當前，在計算刀具數量磨損中，假設，δ是刀具的磨損量，D代表刀盤的外徑，掘進的速度為L。采用下面的計算方式：刀具磨損的因素非常多，包括刀具本身的質量，安裝的位置，以及巖石的性質等。依據刀具壽命方面的原則，針對刀具可能產生的磨損問題，用調整半徑磨損消耗的系數來減小磨損的程度，從而達到延長刀具壽命的作用。根據相關的經驗，假設Kn是一把刀具施工時，產生的磨耗系數。計算的具體公式為：

假設，地質情況保持不變，磨耗系數是定值。根據盾構機掘進的系數，以及刀具產生的磨損量，就可以結算出相鄰界面磨損的系數，以及相鄰界面掘進的系數。其中，相鄰界面的磨損系數計算方法為：對映磨損系數法。另外，相鄰界面掘進的系數計算方法為：掘進系數法。具體的計算辦法為：列出刀具安裝、磨損的縱橫坐標，假設橫坐標為刀具的安裝半徑，縱坐標為刀具掘進的磨損系數。然后，列出不同的系數函數，并依據切削半徑的大小來計算刀具數量與刀具壽命之間的關系。

（2）布置曲線。從幾何意義上來講，將刀具布置到刀盤上，一般采用兩種辦法。其中，一種是同心圓的布置方法，一種是阿基米德螺旋線的布置方法。其中，后一種布置方法的具體操作為：在與螺旋線相交的兩條輔線中，按照分散、對稱的原則進行加布置，同時保證正、負兩個方向同時可以轉動。具體的布置公式為：

根據（5）式，在取整的情況下，只要確定出中心刀的重疊量，以及主切削刀的數值，就可以得到曲線的初始值。

在（6）式中，將b1調整到最小落線，可以得到=0，就可以得到單螺旋線的曲線方程。另外，在曲線布置中，經常還會使用到雙螺旋與多螺旋線。在設置參數的過程中，按照刀具磨損等壽命原則，保證切削半徑大于R1，在回轉半徑的地方，配置兩把或者兩把以上的刀具。另外，雙螺旋在布置參數時，采用的計算方法與單螺旋線一致。但是，雙螺旋線在布置的過程中，第二條線除了與第一條線相同外，還要求曲線的初始值要與坐標對稱。

4　結束語

當前，隨著工程行業的不斷發展，盾構刀使用的范圍越來越廣，其中包括地下隧道、河底施工，以及地鐵施工等。該機械在施工中，受到氣候、溫度、地質等因素的影響非常小，具有很大的優勢。其中，刀盤刀具是盾構刀的主要部件，在施工中容易受到磨損，縮短壽命。因此，本文對盾構刀盤刀具的特點進行了分析，然后提出布置的具體方法，希望可以起到參考的作用。

參考文獻：

[1]蒲毅，劉建琴，郭偉，裴瑞英.土壓平衡盾構機刀盤刀具布置方法研究[J].機械工程學報，2013,（06）.

[2]張曉東.土壓平衡盾構機刀盤開口特性及刀具布置方法分析[J].技術與市場，2015，（03）.

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.107